EP0255552B1 - Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Messung von Längenänderungen an Bauteilen - Google Patents

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EP0255552B1
EP0255552B1 EP19860110887 EP86110887A EP0255552B1 EP 0255552 B1 EP0255552 B1 EP 0255552B1 EP 19860110887 EP19860110887 EP 19860110887 EP 86110887 A EP86110887 A EP 86110887A EP 0255552 B1 EP0255552 B1 EP 0255552B1
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light
diaphragm
measuring
diaphragms
light source
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Peter Gernhart
Gerhard Hintz
Peter Schneider
Günter Keller
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Carl Schenck AG
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Carl Schenck AG
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Definitions

  • the invention relates to a method for the contactless measurement of changes in length of components with a laser light source and a signal processing device, an arrangement for performing the method and its use.
  • EP-B1 0 023 643 discloses a method for the photoelectric, non-contact measurement of expansion sequences associated with spatial displacements, in particular in tensile tests, on light-scattering, opaque or transparent material or object surfaces.
  • an illuminating beam e.g. a laser beam with high radiation density and a scanning spot are generated on the surface by means of projection optics.
  • the expansion process is reconstructed with the aid of a complicated scanning and evaluation process.
  • a parallel beam e.g. a laser light source, directed tangentially to the rotating body of revolution (DE-OS 3 334 976).
  • the runout deviations of the rotating body are determined from the fluctuations in the shading of the beam. This method is not suitable for strain measurements.
  • a light beam with imaging optics is directed from a light source arranged in front of the sample, and the light fraction behind the sample is measured by means of a light receiver (DE-A1 3 422 988).
  • a light receiver DE-A1 3 422 988
  • the invention is based on the idea that changing a diaphragm cross-section or gap changes the intensity of the light passing through and that the change in intensity can be evaluated as a measure of deformations.
  • the use of diaphragms, the cross section or gap of which can be influenced by the change in length to be measured, and the detection of the light intensity of a bundle of rays influenced by the diaphragm cross section and the generation of an electrical signal dependent on the light intensity as a measure of deformations make a versatile method for Determination of changes in length created.
  • the method according to the invention works without contact, so that no disruptive forces occur on the test specimen.
  • the measuring device for carrying out the method according to the invention does not form an oscillating spring-mass system, so that exact measurements up to the highest test frequencies and test speeds are possible.
  • the test device can be used for tests with high or low temperatures in various translucent ambient media.
  • the light beam I 'of a laser light source I is directed onto a beam splitter 2, divided equally by this into two partial beams and transmitted into flexible light guides 4, 4'.
  • Scattering lenses 5, 5 ' are arranged at the end of the light guides 4, 4'.
  • the scattering lenses have the task of fanning out the light rays in such a way that the entire slit surface is covered by downstream measuring slits.
  • Commercially available components can be used as the laser light source and beam splitter.
  • diaphragm arrangements or measuring gaps 6, 6 ' are provided, to which the light coming from the scattering lenses 5, 5' is directed.
  • the measuring column 6, 6 'can, for. B. are formed by panels 6a, 6a 'connected to the test specimen and panels 6b, 6b' connected to a stand (see also FIG. 2). This arrangement allows the measurement of the relative deformation between two points, as is always necessary in test engineering.
  • the distance A between the diaphragms or measuring gaps can be chosen as desired. As a result, the measuring device can be adapted to different requirements of test technology.
  • measuring gaps 6, 6 ' Arranged behind the diaphragm arrangements or measuring gaps 6, 6 'are collecting lenses 7, 7' which feed the light passing through the measuring gaps to a beam adder 8 via flexible light guides 4a, 4a '.
  • the light beams are shaded in the measuring gaps 6, 6 'according to the deformations of the test specimen, ie the diaphragm or gap surfaces and thus the residual light quantities passing through the gaps or diaphragms are a measure of the test specimen deformation.
  • the light passes through a selective filter 9, which only allows light with the wavelength of the laser light source I to pass through (thereby avoiding incorrect measurements due to scattered light, particularly in experiments with high temperatures), to a photoelectric element or a photodiode 10 , in which the light intensity is converted into electrical signals.
  • a photoelectric element or a photodiode 10 in which the light intensity is converted into electrical signals.
  • These are fed to an electronic evaluation circuit or signal processing device 12 which generates a voltage which is proportional to the light intensity and thus the test specimen deformation.
  • the electrical output signal of the signal processing device, which is proportional to the strain can be displayed on a display device 15, supplied to a controller as the actual value (see arrow), or can be used or processed in some other way.
  • the temperature dependence of the electrode can be corrected via a temperature compensation device 13.
  • the electrical measurement signal coming from the measurement electronics or the signal processing device 12 can be converted for the deformation into signals proportional to speed or acceleration.
  • FIG. 2a An arrangement for longitudinal expansion measurements is shown schematically in FIG.
  • the diaphragms 6a, 6a ' are fastened in a punctiform manner to a component or test specimen 3 with pressure springs 20 (see FIG. 2a).
  • the measuring base A is freely selectable.
  • a tripod 21, which is attached to the testing machine frame, carries the screens 6b, 6b '.
  • the diaphragms on the test specimen 3 and on the stand 21 are arranged with respect to one another in such a way that they form the measuring gaps 6, 6 '.
  • the scattering and converging lenses and possibly other parts of the measuring chain according to FIG. I are also arranged on the stand 21.
  • the measuring electronics or signal processing device can also be located outside the test room.
  • the aperture shape can be designed differently.
  • Fig. 2b some gap forms 22 are shown for the panels.
  • Fig. 3 shows an arrangement for transverse strain measurement.
  • the same structure is used as for longitudinal measurements.
  • I are only formed by the outer edges or the outer contour of the test specimen 3, so that the measuring gaps 6, 6 'are formed by the test specimen and by the orifices 6b, 6b'.
  • the other elements of the measuring chain are arranged analogously to the exemplary embodiments according to FIGS. I and 2.
  • FIG. 4a and 4b schematically show the possibility of crack expansion measurement.
  • the prince. pielle measuring arrangement corresponds to that in longitudinal strain measurements.
  • the crack expansion can, for. B. be measured directly in a gap 23 or at the end of the column.
  • FIG. 4a shows the crack expansion measurement at the end of the gap with diaphragms 6a, 6a 'attached to the test specimen 3 and diaphragms 6b attached to a tripod, which form the measuring gaps 6, 6' with the diaphragms mentioned first.
  • 4b shows the expansion measurement in the gap.
  • an arrangement is used analogously, as was shown for transverse elongation measurements according to FIG. 3, the gap contour forming a diaphragm part.
  • the measuring arrangements described can also be used for strain measurement in furnaces and climatic chambers if suitable windows are provided in these components.
  • a furnace 24 with a test specimen 3 is shown in section in FIG. 5.
  • the furnace has windows 25, 25a.
  • An aperture 6a is attached to the test specimen or is formed by the test specimen.
  • the panel 6b can be arranged inside or outside the furnace 24.
  • the scattering and converging lenses 5 and 7 and the light guides 4, 4a are located outside the furnace.
  • the measuring arrangement can also be used for strain measurements in aggressive or similar media if they are translucent.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Längenänderungen an Bauteilen mit einer Laser-Lichtquelle und einer Signalverarbeitungsvorrichtung, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sowie deren Verwendung.
  • Aus der EP-B1 0 023 643 ist ein Verfahren zur photoelektrischen, berührungslosen Messung von mit Ortsverschiebungen verbundenen Dehnungsabläufen, insbesondere im Zugversuch, an lichtstreuenden, opaken oder transparenten Werkstoff- bzw. Objektoberflächen bekannt. Hierbei wird mittels einer Beleuchtungseinrichtung ein Beleuchtungsstrahl, z.B. ein Laserstrahl hoher Strahlungsdichte sowie mittels einer Projektionsoptik auf der Oberfläche ein Abtastfleck erzeugt. Mit Hilfe eines komplizierten Abtast- und Auswerteverfahrens wird der Dehnungsablauf rekonstruiert.
  • Bei einem Verfahren zur berührungslosen Ermittlung von Rundlaufabweichungen eines Rotationskörpers, z.B. eines Reifens, wird ein paralleles Strahlenbündel, z.B. eine Laser-Lichtquelle, tangential auf den rotierenden Rotationskörper gerichtet (DE-OS 3 334 976). Aus den Schwankungen der Abschattung des Strahlenbündels werden die Rundlaufabweichungen des Rotationskörpers ermittelt. Für Dehnungsmessungen ist dieses Verfahren nicht geeignet.
  • Bei einem weiteren Verfahren zur berührungslosen Messung der Querkontraktion von länglichen Proben ist vorgesehen, daß von einer vor der Probe angeordneten Lichtquelle mit einer Abbildungsoptik ein Lichtstrahl auf die Probe gerichtet wird, und der Lichtanteil hinter der Probe mittels Lichtempfänger gemessen wird (DE-A1 3 422 988). Dieses Verfahren erlaubt jedoch nur die Ermittlung von Längenänderungen bestimmter Meßlängen. Eine vielseitige Anwendbarkeit des Verfahrens ist daher nicht möglich.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung derart zu gestalten, daß Längenänderungen beliebiger Meßlängen an Proben oder Prüfkörpern erfaßt werden können. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 3 gekennzeichnet. Die abhängigen Ansprüche erfassen auch Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß die Änderung eines Blendenquerschnittes oder Spaltes die Intensität des durchfallenden Lichts ändert und daß die Intensitätsänderung als Maß für Verformungen ausgewertet werden kann. Durch die Verwendung von Blenden, deren Querschnitt oder Spalt durch die zu messende Längenänderung beeinflußbar ist, und durch die Erfassung der durch den Blendenquerschnitt beeinflußten Lichtintensität eines Strahlenbündels sowie die Erzeugung eines von der Lichtintensität abhängenden elektrischen Signals als Maß für Verformungen wird ein vielseitig verwendbares Verfahren zur Ermittlung von Längenänderungen geschaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet berührungsfrei, so daß keine störenden Kräfte am Prüfkörper auftreten.
  • Durch die Strahlaufteilung vor und die Strahladdition hinter dem Meßkörper werden Meßfehler durch die Eigenverformung der Prüfmaschine ausgeglichen bzw. vermieden.
  • Die Meßvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet kein schwingungsfähiges Feder-Masse-System, so daß exakte Messungen bis zu höchsten Prüffrequenzen und Prüfgeschwindigkeiten möglich sind. Außerdem ist der Einsatz der Prüfvorrichtung bei Versuchen mit hohen oder niedrigen Temperaturen in verschiedenen lichtdurchlässigen Umgebungsmedien möglich.
  • Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. I Anordnungsschema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung
    • Fig. 2 Vorrichtung zur Durchführung von Längsdehnungsmessungen
    • Fig. 2a Prüfkörper mit angeklemmter Blende
    • Fig. 2b Blende mit verschiedenen Spaltformen
    • Fig. 3 Vorrichtung zur Durchführung von Querdehnungsmessungen
    • Fig. 4a/b Vorrichtung zur Durchführung von Rißaufweitungsmessungen
    • Fig. 5 Vorrichtung zur Durchführung von Dehnungsmessungen an Öfen und Klimakammern.
  • In Fig. I wird der Lichtstrahl I' einer Laser-Lichtquelle I auf einen Strahlteiler 2 gelenkt, von diesem gleichmäßig in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und in flexible Lichtleiter 4, 4' übertragen. Am Ende der Lichtleiter 4, 4'sind Streulinsen 5, 5' angeordnet. Die Streulinsen haben die Aufgabe, die Lichtstrahlen so aufzufächern, daß die gesamte Spaltfläche von nachgeschalteten Meßspalten überdeckt wird. Als Laser-Lichtquelle und Strahlteiler können handelsübliche Bauteile verwendet werden.
  • An einem in Fig. I nicht dargestellten Prüfkörper sind Blendenanordnungen bzw. Meßspalte 6, 6' vorgesehen, auf die das von den Streulinsen 5, 5' kommende Licht gerichtet ist. Die Meßspalte 6, 6' können z. B. gebildet werden durch mit dem Prüfkörper verbundene Blenden 6a, 6a' und durch mit einem Stativ verbundene Blenden 6b, 6b' (siehe auch Fig. 2). Diese Anordnung erlaubt die Messung der relativen Verformung zwischen zwei Punkten, wie dies in der Prüftechnik immer notwendig ist. Der Abstand A zwischen den Blenden bzw. Meßspalten kann beliebig gewählt werden. Dadurch läßt sich die - Meßvorrichtung an unterschiedliche Anforderungen der Prüftechnik anpassen.
  • Hinter den Blendenanordnungen bzw. Meßspalten 6, 6' sind Sammellinsen 7, 7' angeordnet, die das durch die Meßspalte tretende Licht über flexible Lichtleiter 4a, 4a' einem Strahladdierer 8 zuführen. Die Lichtstrahlen werden in den Meßspalten 6, 6' den Verformungen des Prüfkörpers entsprechend abgeschattet, d. h. die Blenden- bzw. Spaltflächen und damit die durch die Spalte oder Blenden tretenden Restlichtmengen sind ein Maß für die Prüfkörperverformung.
  • Vom Strahladdierer 8 gelangt das Licht über ein selektives Filter 9, das nur Licht mit der Wellenlänge der Laser-Lichtquelle I passieren läßt (wodurch Fehlmessungen durch Streulicht, insbesondere bei Versuchen mit hohen Temperaturen, vermieden werden), auf ein photoelektrisches Element oder eine Fotodiode 10, in der die Lichtintensität in elektrische Signale umgewandelt wird. Diese werden einer elektronischen Auswerteschaltung oder Signalverarbeitungseinrichtung 12 zugeführt, die eine der Lichtintensität und damit der Prüfkörperverformung proportionale Spannung erzeugt. Das dehnungsproportionale elektrische Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinrichtung kann auf einem Anzeigegerät 15 angezeigt, als Ist-Wert einem Regler (s. Pfeil) zugeführt oder in anderer Weise weiterverwendet bzw. verarbeitet werden.
  • Zur Kompensation von Lichtintensitätsschwankungen der Meßkette befindet sich an der Blende 6b ein Spalt mit einem definierten Querschnitt bzw. eine Referenzblende 6c. Dieser Spalt bzw. die Referenzblende wird von einer Teillichtmenge der Linse 5 durchstrahlt, in einer Sammellinse 7a gesammelt und über einen Lichtleiter 4b dem Filter 9 und einem. Photosensor 10' zugeführt. Das vom Photosensor 10' erzeugte elektrische Signal wird in der Auswerteschaltung 12 mit einer Bezugsgröße verglichen. Die Abweichungen werden als Korrektursignal für den Meßwert der Photodiode 10 verwendet.
  • Über eine Temperaturkompensationeinrichtung 13 kann die Temperaturabhängigkeit der Meßkette korrigiert werden.
  • In einem Mikroprozessorsystem 14 kann das von der Meßelektronik bzw. der Signalverarbeitungseinrichtung 12 kommende elektrische Meßsignal für die Verformung in geschwindigkeits- oder beschleunigungsproportionale Signale umgewandelt werden.
  • In Fig. 2 ist schematisch eine Anordnung für Längsdehnungsmessungen dargestellt. An einem Bauteil oder Prüfkörper 3 sind die Blenden 6a, 6a' punktförmig mit Anpressfedern 20 befestigt (siehe Fig. 2a). Die Meßbasis A ist frei wählbar. Ein Stativ 21, das am Prüfmaschinenrahmen befestigt ist, trägt die Blenden 6b, 6b'. Die Blenden am Prüfkörper 3 und am Stativ 21 sind so zueinander angeordnet, daß sie die Meßspalte 6, 6' bilden. Am Stativ 21 sind auch die Streu- und Sammellinsen und gegebenenfalls weitere Teile der Meßkette nach Fig. I angeordnet. Die Meßelektronik bzw. Signalverarbeitungseinrichtung kann sich auch außerhalb des Prüfraumes befinden.
  • Zur optimalen Anpassung der Meßeinrichtung z. B. an unterschiedliche Meßwege, kann die Blendenform unterschiedlich gestaltet werden. In Fig. 2b sind einige Spalttormen 22 für die Blenden dargestellt.
  • Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Querdehnungsmessung. Prinzipiell wird hierbei der gleiche Aufbau wie für Längsdehnungsmessungen benutzt. Die Blenden 6a, 6a' nach Fig. I werden lediglich durch die Außenkanten bzw. die Außenkontur des Prüfkörpers 3 gebildet, so daß die Meßspalte 6, 6' durch den Prüfkörper und durch die Blenden 6b, 6b' entstehen. Die übrigen Elemente der Meßkette werden analog zu den Ausführungsbeispielen nach Fig. I und 2 angeordnet.
  • In Fig. 4a und 4b ist schematisch die Möglichkeit zur Rißaufweitungsmessung dargestellt. Die prinzi- . pielle Meßanordnung entspricht der bei Längsdehnungsmessungen. Die Rißaufweitung kann z. B. direkt in einem Spalt 23 oder am Spaltende gemessen werden. Fig. 4a zeigt die Rißaufweitungsmessung am Spaltende mit am Prüfkörper 3 befestigten Blenden 6a, 6a' und an einem Stativ befestigten Blenden 6b, die mit den zuerst genannten Blenden die Meßspalte 6, 6' bilden. Die Aufweitungsmessung im Spalt zeigt Fig. 4b. Hierbei wird sinngemäß eine Anordnung verwendet, wie sie für Querdehnungsmessungen nach Fig. 3 dargestellt wurde, wobei die Spaltkontur einen Blendenteil bildet.
  • Die beschriebenen Meßanordungen sind auch zur Dehnungsmessung in Öfen und Klimakammern verwendbar, wenn in diesen Bauteilen geeignete Fenster vorgesehen sind. In Fig. 5 ist ein Ofen 24 mit einem Prüfkörper 3 im Schnitt dargestellt. Der Ofen weist Fenster 25, 25a auf. Eine Blende 6a ist am Prüfkörper befestigt oder sie wird durch den Prüfkörper gebildet. Die Blende 6b kann innerhalb oder außerhalb des Ofens 24 angeordnet sein. Die Streu- und Sammellinsen 5 und 7 sowie die Lichtleiter 4, 4a befinden sich außerhalb des Ofens. Die Meßanordnung kann auch für Dehnungsmessungen in aggressiven oder ähnlichen Medien verwendet werden, wenn diese lichtdurchlässig sind.

Claims (9)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung von Längenänderungen an Bauteilen oder Prüfkörpern mit einer Lichtquelle (1) und einer Signalverarbeitungseinrichtung (12), wobei das Licht (1') der Lichtquelle (1) auf zwei Blenden (6a/6b, 6a'/6b') geführt wird, die in ihrer Ausgangsstellung einen vorgegebenen Abstand (A) am Bauteil oder Prüfkörper (3) definieren und deren Querschnitt oder Meßspalt (6, 6') durch die zu messende Längenänderung beeinflußbar ist, und wobei die durch den Blendenquerschnitt beeinflußte Lichtintensität erfaßt, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als Längenänderung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (1') einer Laser-Lichtquelle über einen Strahlteiler (2) auf die beiden Blenden (6a/6b, 6a'/6b') geführt wird und daß das Licht hinter den Blenden (6a/6b, 6a'/6b') in einem Strahladdierer (8) zusammengeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (1') der Lichtquelle (1) zusätzlich. auf eine Referenzblende (6c) geführt wird und daß die Lichtintensität der Referenzblende (6c) zur Korrektur von Lichtintensitätsschwankungen der Meßkette verwendet wird.
3. Anordnung zur berührungslosen Messung von Längenänderungen an Bauteilen oder Prüfkörpern, mit einer Lichtquelle und einer Signalverarbeitungseinrichtung, mit zwei Blenden (6a/6b, 6a'/6b'), die jeweils aus zwei Teilen bestehen, von denen ein Teil am Prüfkörper oder dem zu prüfenden Bauteil (3) angeordnet ist oder durch dieses Bauteil (3) gebildet wird und das zweite Teil mit einem Festpunkt verbunden ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (1') einer Laser-Lichtquelle (1) über einen Strahlteiler (2) auf jeweils eine Zerstreuungslinse (5, 5') geführt wird, daß hinter der Zerstreuungslinse (5, 5') eine der beiden Blenden (6a/6b, 6a'/6b') angeordnet ist, daß hinter der Blende (6a/6b, 6a'/6b') eine Sammellinse (7, 7') angeordnet ist und daß die Sammellinsen (7, 7') über einen Strahladdierer (8) mit einem photoelektrischen Element oder einer Fotodiode (10) verbunden sind, das bzw. die die Lichtintensität in ein elektrisches Signal umwandelt, das der Signalverarbeitungseinrichtung (12) zugeführt wird.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (2) und der Strahladdierer (8) Lichtleiter (4, 4', 4a, 4a') aufweisen.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Blende (6b) eine zusätzliche Referenzblende (6c) vorgesehen ist, deren Lichtintensität über einen Lichtleiter (4b) und ein weiteres photoelektrisches Element (10') in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das der Signalverarbeitungseinrichtung (12) zugeleitet und mit einem Bezugssignal verglichen wird, und daß die Differenz zwischen dem elektrischen Signal und dem Bezugssignal als Korrekturgröße verwendet wird.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem photoelektrischen Element (10) ein Filter (9) angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zur Temperaturkompensation, die mit der Signalverarbeitungseinrichtung (12) verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (6a/6b, 6a'/6b') unterschiedliche Spaltformen (22) aufweist.
9. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 zur Längsdehnungsmessung, Querdehnungsmessung, Rißaufweitungsmessung und Dehnungsmessung in Öfen und Klimakammem sowie zur Messung von Verformungsgeschwindigkeiten.
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